Annons

Säkra, tillförlitliga digitala isolatorer

Galvanisk isolering är ibland nödvändigt att lägga in för att uppfylla gällande säkerhetsbestämmelser. Men när isoleringen placeras direkt i en dataväg skapas också fördröjningar och systemets prestanda försämras. En optokopplare ökar strömförbrukning, storlek och kostnad. En betydligt bättre väg är att använda en iCoupler som här beskrivs av David Krakauer, produktchef för Product Line Manager, iCoupler Isolation Products, Analog Devices, Inc.

I många år har konstruktörer använt optokopplare och motvilligt tvingats betala priset för dessa. En ny generation av galvaniska isolatorer, digitala isolatorer, har lanserats minskar kostnaderna. Konstruktionerna blir mindre, mer energi- och kostnadseffektiva och får högre prestanda. Däremot har säkerhetskraven inte hållit jämna steg, vilket skapat förvirring och osäkerhet om huruvida digitala isolatorer kan uppfylla det enda krav som konstruktörerna har på galvanisk isolering: Uppfyller de säkerhetskraven?
Svaret är ja: Digitala isolatorer kan ge samma säkerhet som krävs av inhemska såväl som internationella standarder. Men till skillnad från optokopplare, från de flesta leverantörer som har liknande strukturer, utformas och tillverkas digitala isolatorer på olika sätt som påverkar isoleringskapacitet, särskilt i jämförelse med den gedigna isoleringskapaciteten hos optokopplare. Därför ger inte alla digitala isolatortekniker och -implementeringar samma säkerhetsnivå.
Tänk på de fyra centrala isolatorelementen:
* Isoleringsmaterial
* Isoleringselement
* Dataöverföringsarkitektur
* Kapsling
Det finns olika alternativ för varje element och den resulterande kombinationen definierar en isolators egenskaper.
Vi kommer att fokusera på isoleringsmaterialet som är ett utmärkande kännetecken för säkerhet. Optokopplingar använder olika polymermaterial, inklusive förpackningens epoxigjutning. Digitala isolatorer använder ett liknande polymermaterial, eller polyimid, eller så kan de använda kiseldioxid. Materialen och tillverkningsprocessen leder till skillnader i både livslängden för isoleringen och förmåga att tåla höga spänningstoppar. Låt oss först betrakta säkerhetskrav och hur de förhåller sig till olika typer av isolatorer.

Förstå isoleringskrav
Standarder på systemnivå riktar sig mot skillnader mellan miljöförhållanden och systemanvändning. Krav för hushållsapparater, till exempel, skiljer sig från patientövervakningsutrustning som används på sjukhus eller från drivmotorer i fabriker. De riktar sig ofta mot isoleringssäkerhet genom att definiera standarder på komponentnivå specifika för galvaniska isolatorer. Det finns tre sådana standarder att lägga märke till:
* IEC 60747: Halvledarkomponenter – Del 1: Allmänt
* UL 1577: Standard för optiska isolatorer
* VDE 0884-10: Halvledarenheter – Magnetisk och kapacitiva koppling för säker isolering
Även om de alla har liknande mål – att säkerställa säkerheten för användare, operatör och utrustning – tar de olika vägar.
IEC 60747 skiljer mellan olika isoleringsklasser (till exempel grundläggande kontra förstärkt isolering) medan UL 1577 betonar förmågan hos isolatorer för att klara vissa spänningsnivåer under en definierad tidsperiod, vanligtvis en minut. Det är vanligt att systemkonstruktörer förlitar sig på certifiering från mer än en av dessa komponentstandarder i syfte att täcka alla möjliga användningsområden och förhållanden.
Ökningen av digitala isolatorer har komplicerat saker eftersom många av dessa standarder togs fram då konstruktörerna var fast med optokopplare. Standarderna riktar sig mot svagheter förknippade med optokopplare och tillhandahåller medel som kan garantera säkerheten.
Dessa metoder fungerar bra för optokopplare men de gäller eventuellt inte för digitala isolatorer. Tänk på fallet med certifierad driftspänning, som är den kontinuerligt tillämpade spänningen över en isoleringsbarriär. Förväntningen är att en isolator med en certifierad arbetsspänning ska tåla den spänningen över hela sin livslängd.
IEC 60747 kräver ett delvis produktionsurladdningstest som bekräftar optokopplarens driftspänning. Standardiseringsorganen har fastställt att den partiella urladdningens start- och slutspänningar korrelerar med optokopplarens driftsspänningar. Tillverkningsprocessen använder en formsprutning som är benägen att skapa håligheter i plastmaterialet. Dessa hålrum kan utsättas för högre elektriska fält under belastning och leda till partiell urladdningsinducerad nedbrytning. Med hjälp av ett partiell urladdningstest vid höga spänningar kan man upptäcker närvaro av hålrum och därmed avvisa delar som annars skulle misslyckas på fältet.
Denna partiella urladdningsmetod är inte fullt ut tillämplig för digitala isolatorer. Digitala isolatorer använder liknande förpackningsmaterial som måste testas för defekter med partiell urladdning, men det finns andra åldrande mekanismer som gäller för isoleringsmaterialen. De primära isoleringsmaterial som används för isoleringselement deponeras genom välkontrollerade skivnivåprocesser och är mindre benägna att skapa hålrum, och därmed partiell urladdning, däremot börjar andra åldrande mekanismer att dominera. När en digital isolator uppges klara en viss driftsspänning, vanligen betecknat som VIORM, baserat på IEC 60747, kan den vara vilseledande, eftersom den bara återspeglar förmågan att godkännas på ett partiellt urladdningstest vid en viss spänning.
Eftersom partiell urladdning är ett ofullständigt test av en digital isolators driftsspänning krävs ytterligare testning och anpassning. Framtida standarder från IEC kommer att ta itu med detta och införliva dessa nya metoder. Under tiden är det leverantörerna av digitala isolatorer som måste  visa hur de garanterar livslång drift vid nominella driftsspänningar.

Mät högspänningslivslängden
Analog Devices garanterar driftsspänningen i våra digitala iCoupler-isolatorer med andra tester än partiell urladdningar. De digitala iCoupler-isolatorerna använder 20 µm tjocka polyimidisoleringslager mellan plantransformatorspolarna som ingår i skivtillverkningsprocessen.

Denna tillverkningsprocess gör att isoleringselementen kan integreras med befintliga halvledarprocesser från ”foundries” till låg kostnad och med utmärkt kvalitet och tillförlitlighet.
Tvärsnittet nedan visar lindningarna i den översta och den understa spolen separerade med tjocka polyimidlager. Polyimidmaterial har använts för isolering i många år, nästan en miljard iCoupler-transformatorer har tillverkats och använts tillförlitligt i över tio år.
För att mäta driftsspänningslivslängden på dessa kretsskale-isoleringstransformatorer, använder vi en VHE-konfiguration (High Voltage Endurance). HVE utförs genom tid till haveri-experiment vid accelererade spänningsnivåer, vanligen mycket högre än de angivna driftsspänningarna.
Laddningsinjektering är den primära HVE-haverimekanism som leder till isoleringshaverier i enheter. När laddningar har injekterats i polyimidisolering kan de fastna i lokala fångstplatser där de frigör energi. Om den frisläppta energin är tillräckligt hög kommer bindningar i polyimiden att brytas och därmed skapa fler fångstplatser som leder till fler att flera utrymmesladdningar fångas. Denna positiva feedback leder så småningom till isoleringshaveri. Genom termodynamisk analys [1], kan livslängden, L, uttryckas som

där Et är gränsvärdesfältet där ingen laddningsinjektering inträffar och m, n är skalningskonstanter.
HVE-data från iCoupler-enheter har visat sig följa

, där L är tiden till haveri vid 10 ppm och V är den tillämpade, kontinuerliga högspänningen.
Bilden nedan visar ett förenklat exempel där fyra datapunkter från högspänningsbelastningsprover används för att anpassa modellen och extrapolera bakåt till typiska driftsspänningar.

Dessa data mättes genom att utsätta prover för 60 Hz potentiella differenser från 800 V till 2000 V rms. Tid till haveri för varje enhet registrerades sammanfattat i Weibull-plotten nedan. Tid till haveri har extrapolerats för lägre spänningar inom det avsedda driftsspänningsområdet.

iCoupler HVE-livslängden beror på huruvida den tillämpade spänningen är växelström eller likström. Under likströmsbelastning hämmar det statiska fältet fång/omkombinationsfrigöringen av energi. Det leder till att likströmslivslängden är betydligt längre än växelströmslivslängden. iCoupler-produkter anger alltid den lägsta likströmslivslängden.
Rms-specifikationen för driftsspänningar är också något missvisande. En 400 V rms-vågform är i praktiken en sinusväxling mellan positivt 560 V och negativt 560 V, så att den hela topp till topp-belastningen över barriären i praktiken är 1120 V. Vi har bekräftat att livslängden för en bipolär vågform angiven till 400 V rms är densamma som en 1120 V topp till topp-vågform, oberoende av var den är centrerad. Där säkerhet är av yttersta vikt ska bör datablad vara konservativa för att se till att inga potentiella risker föreligger, vilket är anledningen till att datablad för digitala iCoupler-isolatorer anger den absolut lägsta driftsspänningen.

50 års säker drift
Införandet av digitala isolatorer har gjort ett redan komplicerat pussel av säkerhetsstandarder ännu mer förvirrande eftersom inte alla standarder gäller krav på digitala isolatorer, som använder olika material och element för galvanisk isolering. För en livslängd under vissa driftsspänningsförhållanden är certifiering baserat på partiell urladdning inte tillräcklig för att garantera tillförlitlig säker drift under decennier av användning, såsom är fallet med optokopplare.
Nya standarder tas fram för att avhjälpa denna brist, men tills dess, måste leverantörer av digitala isolatorer komplettera dessa standarder med tillförlitliga uppgifter som stöder krav på flera decenniers tillförlitlighet. De digitala iCoupler-isolatorerna baserade på polyimidisolering har gjort detta och kan garantera mer än 50 år av säker drift vid nominella spänningar med ett accelererat livslängdstest.

REFERENSER
[1] Dissado, L.A., et al. “The Incorporation of Space Charge Degradation in the Life Model for Electrical Insulating Materials.” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 2, No. 6, pp. 1147-1158, December, 1995.

 

Comments are closed.